轧制原理

轧制原理北京科技大学材料学院周成高等工程师学院专业必修课1轧制过程的基本概念轧制是轧件在旋转的轧辊作用下产生塑性变形的过程。轧制的目的是生产具有合格形状尺寸和组织性能的产品。轧钢在钢铁生产中的位置轧钢产品的种类（按断面形状）钢板中厚板薄板钢管无缝钢管焊管型钢型材（钢轨、工字钢等）棒材线材1.1简单轧制过程及其变形区简单轧制过程轧制过程在上下两直径相同的圆柱形刚性轧辊间进行，轧辊皆为传动辊、转速相同且转向相反；轧件为各向同性的均匀连续体，只承受来自轧辊的作用力并且满足屈服条件，轧件为矩形断面，轧制前的横截面在变形过程中仍为平面。0b0h0l1b1l1h轧制过程的简单描述在轧制过程中，轧辊对轧件的作用力要同时产生两个效果：将轧件拖入辊缝同时使之产生塑性变形。在满足屈服条件的前提下，轧制过程能否开始取决于轧辊是否能将轧件拖入辊缝。在轧制过程中，轧件高度减小。轧件在高度方向减少的体积，要转移到轧件的宽度和长度方向，这一变形过程不仅决定了轧制后的轧件尺寸，而且也影响到轧件进出轧辊的速度。0b0h0l1b1l1h轧制过程的简单描述为使轧制过程顺利进行，主电机要具有足够的功率，以通过轧辊提供轧件塑性变形所需的变形力，而所需变形力的大小与轧件本身的性质和应力状态有关。在实际轧制过程中，这一变形力又对轧辊产生反作用而影响轧制过程。0b0h0l1b1l1h1.2轧制变形区及其主要参数轧制变形区轧件在轧辊作用下发生塑性变形的区域称为轧制变形区，在简单轧制条件下，即轧件在进出轧辊处的断面与辊面所围成的区域。轧制变形区的主要参数有咬入角和变形区长度。0b0h0l1b1l1h咬入角αRhcos2RRh)cos1(212sin22sincos12RhRh2cos1Rh212sin轧件开始进入轧辊时，轧件与轧辊的最先接触点和轧辊中心的连线与两轧辊中心连线所构成的圆心角，称为咬入角。稳定轧制时，咬入角即为轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角。变形区长度lhRl轧件与轧辊之接触弧的水平投影长度，称为变形区长度。222)2(hRRl42hhRl1.3体积不变条件对于消除了铸态组织的已变形金属，塑性加工时金属的密度变化很小或者不变。冷加工时，由于加工硬化和微裂纹的产生，金属密度略有减小，但是各种金属和合金冷加工时密度通常只减小0.1～0.2%，当进行中间退火和最终退火时，由于产生再结晶，密度将增加到接近加工前的数值。1.3体积不变条件111000lbhlbh1111000lbhlbh热加工过程中，加工硬化和再结晶同时或依次产生，变形金属的密度及体积在加工过程中可以认为是不变的。因此，无论冷加工还是热加工，变形金属的密度和体积的改变都是很小的，可以忽略这些变化而认为塑性变形前后金属的体积是保持不变的，这就是体积不变条件。1.4轧件变形程度绝对变形量010110lllbbbhhh轧件在高度、宽度和长度三个方向的变形分别称为：压下、宽展和延伸。1.4轧件变形程度相对变形量工程应变真应变变形系数通常将相对压下量（工程应变）称为压下率，记为ε。%100%100%100001l001b010hlllrbbbrhhhr010110lnlnln)(101010llldlbbbdbhhhdhlllbbbhhh010101llbbhh1.5轧制变形速度变形速度是应变对时间的变化率，也称应变速度。)(1sdtdxyxxxxhvdtdhhdthdhdtd21/thhh010vRt)(10010hhRvhhhRh轧制变形速度指的是轧件高度方向的变形速度。变形区中高度为hx的任意断面上的变形速度为：平均变形速度各种轧机的平均变形速度轧机类型（s-1）轧机类型（s-1）初轧机0.8～3中厚板轧机8～15大型轧机1～5热轧宽带钢轧机70～100中型轧机10～25冷轧宽带钢轧机可达1000线材轧机75～1000以上NTxNxT1.6咬入条件xxTNcossinTNcossinNfNtantanf稳定轧制条件xxTNcossinTNcossinNfNtantanfNTxNxT稳定轧制时，θ＝α/22咬入过程中，各种轧机的咬入角轧机型式咬入角弧度度冷轧钢和其它金属在磨削轧辊上加润滑剂0.05~0.073~4在未磨削轧辊上无润滑剂0.09~0.145~8热轧钢板0.31~0.3818~22铝板（350℃）0.35~0.3820~22镍板（1100℃）0.3822黄铜板（800℃）0.37~0.4221~24普通型钢0.38~0.4222~24型钢（轧辊表面有刻槽、网纹或者有堆焊）0.47~0.5927~34各种轧制条件下的允许最大咬入角轧制条件咬入角，º在有表面刻痕或堆焊的轧辊上热轧27～34在型钢轧机上热轧22～24在钢板轧机上热轧15～24在表面粗糙的轧辊上冷轧5～6在表面光滑带润滑的轧辊上冷轧3～4改善咬入条件的途径满足咬入条件，是顺利实现轧制过程的基本保证，而改善咬入条件，是增加压下量、提高生产率的有力措施。发挥稳定轧制阶段咬入潜力（1）小头进钢（2）带钢压下（3）强迫喂钢提高β角（1）改变轧件或轧辊的表面状态（2）合理调节轧制速度1.7最小阻力定律如果变形体各质点有向各个方向移动的可能，则变形体的每个质点将朝阻力最小的方向移动。中性面中性角1.8工具形状对变形的影响由于轧辊呈圆柱状，会造成金属在宽度和长度方向的流动阻力不同，金属横向流动的阻力是平行于辊面且与流动方向相反的摩擦力，而纵向流动阻力是摩擦力的水平分量与正压力水平分量的代数和，根据最小阻力定律，就会影响宽展与延伸之比。工具形状有利于延伸。NTxNxT2轧制过程中的宽展轧件在宽度方向线尺寸的变化，即绝对宽展称为宽展。轧制中的宽展可能是希望的，也可能是不希望的，视轧制产品的断面特点而定。当用窄坯料轧成宽成品时希望有宽展，若是从大断面坯料轧成小断面产品时，则不希望有宽展。无论在那种情况下，均必须掌握宽展变化规律及正确计算它，在孔型中轧制则更为重要。01bbb3.1宽展的分类（1）自由宽展在轧制过程中，被压下的金属体积向横向移动时，金属流动除受接触摩擦的阻碍外，不受其它任何的阻碍和限制（如孔型侧壁，立辊等），结果明确表现出轧件宽度尺寸的增加，这种情况称为自由宽展。（2）限制宽展轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的阻碍外，还承受孔型侧壁的限制作用，此时产生的宽展称为限制宽展。（3）强制宽展在轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的阻碍外，还受其它因素的推动，此时产生的宽展称为强制宽展。由于出现有利于金属质点横向流动的条件，所以强制宽展大于自由宽展。(b)3.2宽展的分布及宽展组成决定宽展沿轧件高度分布不均匀的主要因素是比值。轧后轧件侧边形状(a)．较大，双鼓形；(b)．较小，单鼓形；(c)．适中，平直形(a)(b)(c)hl/hl/hl/hl/宽展一般由以下几个部分组成：滑动宽展Δb1、翻平宽展Δb2和鼓形宽展Δb3。滑动宽展是变形金属在与轧辊的接触面上，由于产生相对滑动使轧件宽展增加的量；翻平宽展是由于接触摩擦阻力的作用，使轧件侧面的金属在变形过程中翻转到接触表面上，使轧件的宽度增加量；鼓形宽展是轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量，与翻平宽展有密切联系。宽展沿轧件横断面分布0b101bbb311bbb211bbb1b0h1h各种宽展与的关系hlhl/宽展沿轧件横断面分布0b101bbb311bbb211bbb1b0h1h宽展沿轧件横断面分布0b101bbb311bbb211bbb1b0h1h计算宽展时，轧件轧后宽度应采用平均宽度，平均宽度可采用与轧后轧件横断面等面积同厚度矩形的宽度，也可采用下式计算。)(''1'''1''11bbabb根据侧面凸出程度的不同系数a可取1/2～2/3。3.3影响宽展的因素(1)压下压下是形成宽展与延伸的原因，压下量增加，高向压下来的金属体积增加增加，所以宽展增加；同时，随着压下量增加，变形区长度增加，使纵向塑性流动阻力增加，根据最小阻力定律，金属沿横向运动的趋势增大，因而使宽展增加。此时压下率也增加。若压下量不变而增加压下率（减小h0和h1），则宽展的增加要慢一些，因为变形区长度不变。0/hhmm,h(a)当Δh、h0、h1为常数，低碳钢，轧制温度为900ºC和轧制速度为1.1m/s时，Δb与r的关系；(b)当h0、h1为常数，低碳钢，轧制温度为900ºC和轧制速度为1.1m/s时，Δb与Δh的关系。3.3影响宽展的因素(2)轧制道次总压下量一定时，轧制道次越多，总宽展越小。多道次轧制时变形区形状参数较小，变形渗透性差，所以宽展较小。No.轧制温度（ºC）道次数Δh/h0（％）Δb（mm）11000174.522.421085673.615.63925675.417.54920175.133.20hh3.3影响宽展的因素(3)轧辊直径在其它条件不变时，宽展随轧辊直径D的增加而增加。因为变形区长度增加，延伸阻力增加。(4)摩擦系数在其它条件相同时，随着摩擦系数的增加，宽展增加。凡是影响摩擦系数的因素，都将通过摩擦系数引起宽展的变化。摩擦系数对宽展的影响轧制温度与宽展指数的关系轧制速度与宽展指数的关系合金钢宽展大于普碳钢组别钢种钢号影响系数平均数Ⅰ普碳钢10号钢1.0Ⅱ珠光体－马氏体钢T（碳钢）1.241.25～1.32GCr15（轴承钢）1.2916Mn（结构钢）1.294Cr13（不锈钢）1.3338CrMoAl（合金钢）1.354Cr10Si2Mo（不锈耐热钢）1.35Ⅲ奥氏体钢4Cr14Ni14W2Mo1.361.35～1.462Cr13Ni4Mn9（不锈耐热钢）1.42Ⅳ带残余相的奥氏体（铁素体，莱氏体）钢1Cr18Ni9Ti（不锈耐热钢）1.441.4～1.53Cr18Ni25Si2（不锈耐热钢）1.441Cr23Ni13（不锈耐热钢）1.53Ⅴ铁素体钢1Cr15（不锈耐热钢）1.55Ⅵ带有碳化物的奥氏体钢Cr15Ni60（不锈耐热合金）1.62△b合=m△b计3.3影响宽展的因素(5)轧件宽度随着轧件宽度的增加，宽展先增加，后来趋于不变。在有接触摩擦条件下镦粗矩形六面体时的变形图示3.3影响宽展的因素(5)轧件宽度随着轧件宽度的增加，宽展先增加，后来趋于不变。(6)张力张力减小延伸阻力，张力增加使宽展减小。3.4平辊轧制时的宽展计算公式（1）Д.热兹公式（2）E.齐别尔公式（3）C.И.古布金公式……hCbhRhhCb000)2)(1(hhhhRfhhb3.5侧压后平轧时的宽展板带轧制中，采用侧压（立辊轧制）调整轧件宽度。侧压后轧件横断面呈双鼓形，要再经过一道水平轧制消除双鼓形，然后进入后续轧制道次。侧压后，侧压量为，最大厚度hb为，侧压后平轧宽展的组成ebfb2/sb2/bb))()()(69.01(29.00035.060.00bhbRbdhheeeebeebbd0Re为立辊半径3.5侧压后平轧时的宽展侧压后平轧时，轧件的宽展可以认为由两部分组成，一部分是鼓形的回展Δbb，另一部分是除鼓形回展以外的轧件宽展Δbs。侧压后平轧宽展的组成ebfb2/sb2/bbbsbbb侧压后平轧宽展的组成ebfb2/sb2/bb)1)((f0saehhbb)b1(0sebbbdbbsbbb])()(64.1exp[015.00016.0367.0mmeaRhlbma0hbme])()()()(88